"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Плазма — особое состояние вещества, в котором газ частично или полностью ионизован: в нём движутся свободные электроны и положительные ионы. Она образуется, когда газ получает энергию при нагревании, электрическом разряде или воздействии излучения. Плазма почти нейтральна в целом, но хорошо проводит электрический ток и взаимодействует с электрическими и магнитными полями. Её примеры — звёзды, молнии, газоразрядные лампы и плазменные установки.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Плазма — частично или полностью ионизованный газ, в котором есть свободные электроны и положительные ионы. Её считают особым состоянием вещества, потому что заряженные частицы придают газу новые свойства: проводимость и чувствительность к электрическим и магнитным полям. При этом в плазме могут оставаться нейтральные атомы и молекулы.
Ионизация — процесс образования заряженных частиц из нейтральных атомов или молекул. Например, атом может потерять электрон и превратиться в положительный ион. Для разрыва связи электрона с атомом необходима энергия, поэтому ионизация начинается при нагревании, разряде или облучении.
Рекомбинация — соединение свободного электрона с положительным ионом с образованием нейтральной частицы. При этом число свободных заряженных частиц уменьшается. Рекомбинация нужна для объяснения того, почему плазма может ослабевать после прекращения внешнего воздействия.
Квазинейтральность — близкое равенство суммарных положительного и отрицательного зарядов в объёме плазмы. Электроны и ионы не исчезают, но их заряды в среднем компенсируют друг друга. Это позволяет плазме в целом оставаться почти нейтральной, несмотря на наличие свободных зарядов.
Чтобы получить плазму, газу передают энергию. При нагревании частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются, а электрический разряд ускоряет уже имеющиеся электроны; излучение тоже может выбивать электроны из атомов. Если при столкновении энергии достаточно, электрон покидает атом, и появляются свободный электрон и положительный ион.
В плазме ионизация не является единственным процессом. Электрон может снова встретиться с положительным ионом, после чего образуется нейтральный атом или молекула — это рекомбинация. Если ионизация идёт быстрее рекомбинации, число заряженных частиц растёт; при равновесии их количество в среднем сохраняется.
Поэтому состояние плазмы определяется не только температурой, но и интенсивностью источника энергии, плотностью газа и потерями энергии. При прекращении разряда ионизация ослабевает, а рекомбинация постепенно уменьшает число электронов и ионов. В некоторых условиях плазма сохраняется долго, а в других быстро превращается в обычный газ.
Положительные ионы и отрицательные электроны распределены в плазме не совершенно одинаково, но на достаточно больших расстояниях их заряды почти компенсируются. Если в некоторой области появляется избыток одного знака, электрическое поле заставляет заряженные частицы перераспределяться. Так устанавливается квазинейтральность, хотя на малых расстояниях возможны локальные нарушения равновесия.
Свободные электроны легко перемещаются под действием электрического поля, поэтому плазма хорошо проводит ток. Магнитное поле изменяет направление движения заряженных частиц, а электрическое поле ускоряет их или разделяет по направлениям. Благодаря этому плазмой можно управлять в газоразрядных приборах и плазменных установках; в природе такие процессы происходят в молниях и звёздах.
Таблица помогает сравнить признаки плазмы и причины их появления. Сначала определите, какие частицы находятся в газе, затем проследите роль ионизации и рекомбинации. Последние строки показывают, какие наблюдаемые свойства и примеры связаны с составом плазмы.
| Характеристика | Что происходит | Пример или следствие |
|---|---|---|
| Состав частиц | В газе присутствуют свободные электроны, положительные ионы и, возможно, нейтральные частицы. | Плазма может быть частично или полностью ионизованной. |
| Ионизация | Энергия отрывает электроны от атомов или молекул. | Появляются свободные заряженные частицы. |
| Рекомбинация | Электрон соединяется с положительным ионом. | Возникает нейтральная частица, число зарядов уменьшается. |
| Электрический заряд в целом | Положительные и отрицательные заряды почти компенсируют друг друга. | Плазма квазинейтральна в большом объёме. |
| Электрическая проводимость | Свободные электроны и ионы перемещаются под действием поля. | Через плазму может проходить электрический ток. |
| Взаимодействие с электрическим и магнитным полями | Поля изменяют движение заряженных частиц и распределение зарядов. | Плазмой можно управлять в установках. |
| Примеры плазмы | Ионизованный газ образуется в природных и технических условиях. | Звёзды, молнии, газоразрядные лампы, плазменные установки. |
Задача 1. В газе часть нейтральных атомов превратилась в положительные ионы и свободные электроны. Определим, можно ли считать такой газ плазмой и какие частицы в нём присутствуют.
Ответ: газ можно считать частично ионизованной плазмой. В нём есть нейтральные атомы, положительные ионы и свободные электроны.
Задача 2. В газоразрядной трубке возник электрический разряд. Объясним, почему после этого газ начинает проводить ток.
Ответ: разряд вызывает ионизацию газа. Свободные электроны и ионы обеспечивают появление электрического тока, то есть газ превращается в проводящую плазму.
Задача 3. В двух объёмах газа температура одинакова, но в первом ионизация интенсивнее рекомбинации, а во втором процессы уравновешены. Сравним изменение состава.
Ответ: в первом объёме степень ионизации растёт, а во втором среднее число заряженных частиц остаётся примерно постоянным. Поэтому для описания плазмы нужно учитывать одновременно и ионизацию, и рекомбинацию.
Любой горячий газ считают плазмой. Высокая температура сама по себе не показывает, что образовалось достаточно свободных зарядов: часть энергии может оставаться в движении нейтральных частиц. Проверьте, есть ли в условии или описании свободные электроны и ионы.
Плазму называют только полностью ионизованным газом. Так происходит потому, что яркие примеры плазмы часто имеют высокую степень ионизации. На деле в плазме могут одновременно находиться нейтральные атомы, поэтому уточняйте степень ионизации.
Квазинейтральность принимают за отсутствие заряженных частиц. Ошибка возникает из-за смешения слов «нейтральная» и «квазинейтральная». Проверьте: электроны и ионы в плазме есть, но их суммарные заряды в большом объёме почти компенсируются.
После ионизации считают, что рекомбинация прекращается. Эти процессы могут идти одновременно, поскольку электроны продолжают встречаться с ионами. Для проверки сравните скорости процессов: состав плазмы определяется их соотношением.
Для изучения плазмы нужны представления о строении атома, электрическом заряде и различии между ионами и нейтральными атомами. Без этого трудно понять, откуда появляются электроны и положительные ионы.
Движение заряженных частиц связывает тему с электрическим током в газах. Влияние полей на плазму пригодится при изучении действия магнитного поля на заряженные частицы.
Понятие плазмы помогает объяснять процессы в звёздах и молниях, а также работу газоразрядных приборов и плазменных установок.
Чем плазма отличается от обычного газа?
В обычном газе частицы в основном электрически нейтральны, а в плазме есть значительное количество свободных электронов и положительных ионов. Поэтому плазма проводит ток и заметно взаимодействует с электрическими и магнитными полями.
Обязательно ли плазма должна быть полностью ионизована?
Нет. Плазма может быть частично ионизованной: наряду с ионами и электронами в ней остаются нейтральные атомы или молекулы.
Почему плазма в целом нейтральна, если в ней есть заряженные частицы?
Положительный заряд ионов и отрицательный заряд электронов в большом объёме почти компенсируют друг друга. Это свойство называют квазинейтральностью, то есть близким, но не обязательно абсолютным равенством зарядов.
Как электрический разряд превращает газ в плазму?
Разряд ускоряет свободные электроны, и они сталкиваются с атомами газа, передавая им энергию. При достаточной энергии атомы ионизуются, число заряженных частиц растёт, и газ начинает проводить ток.
Где плазма встречается в природе и где её используют?
В природе плазма существует в звёздах и молниях. Её получают в газоразрядных лампах, плазменных установках и других устройствах, где используют проводимость и взаимодействие плазмы с полями.
5. Плазма
